《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Far-field characterization of high-gain antennas at 300 GHz band based on a photonics-based near-field measurement
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为解决太赫兹频段高增益天线（增益超40 dBi）远场测量需超大场地及常规系统面临挑战的问题，研究人员开展了基于电光(EO)探针的光子学近场测量研究。结果显示，重构远场方向图与室外直接测量高度吻合，等效噪声水平低于?35 dB，证实了该方法在sub-THz频段的实用价值。
想象一下，你正身处一个即将迈入6G通信的时代，海量数据如潮水般涌泄，而承载着这些数据的“ carrier（载体）”——电磁波，正一步步迈向频率更高、波长更短的太赫兹（THz）频段。在300 GHz这个亚太赫兹（sub-terahertz）频段，波长短至毫米级，为了实现长距离的无损传输，通信系统迫切需要采用增益超过40 dBi的高增益天线。然而，当我们试图去精准测量这些天线的“远场辐射方向图（far-field radiation pattern）”时，却撞上了一堵高墙。
传统的直接远场测量（direct far-field measurement）可不是随便找个实验室就能做的。根据2D2/λ的远场距离公式，对于工作在300 GHz的天线，若要满足远场条件，收发天线可能需要拉开几十米甚至更远的距离。这意味着你必须拥有一个庞大的室外测试场，还得申请无线电台许可证，并且要忍受大气衰减和外界环境干扰的影响
。另一种替代方案是紧缩天线测试场（CATR），但它依赖于大型的准直元件（如反射面或透镜），在太赫兹频段的精密加工和静区（quiet-zone）相位验证同样面临巨大挑战
。正是在这种“传统方法行不通，新办法还没影”的窘境下，研究者们将目光投向了近场测量技术，并尝试引入光子学手段来破局。
在这篇发表于《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》的论文中，研究人员提出了一种基于光子学的近场测量方法，用于表征300 GHz频段高增益天线的远场特性。该研究利用电光（EO）探针进行电场近场传感，结合圆柱模式展开（cylindrical mode expansion）算法重构远场方向图。实验结果令人振奋：在仅需53 m天线间距的室外场地对比测试中，该方法重构的方向图与直接远场测量结果表现出极佳的一致性；其定量评估的等效噪声水平（ENL）在-10 dB波束宽度区域内平均低于-35 dB，甚至连低电平旁瓣（sidelobe）等精细结构特征也能准确复现。此外，研究还发现当前国际电信联盟的ITU-R F.699-8参考辐射方向图模型在86 GHz以上存在波束宽度预测偏窄和旁瓣电平估计不足的问题，暗示了标准更新的必要性。这一台式（tabletop）光子学近场系统，成功证明了自己是太赫兹频段传统远场测试和CATR系统之外，一种可扩展且实用的天线计量（antenna metrology）解决方案。
为开展此项研究，作者主要采用以下几个关键技术方法：首先，搭建了一套基于光子学技术的近场测量系统，核心是使用无金属全介质的电光（EO）探针来传感300 GHz的电场近场分量，该系统能将待测场转换到光域（1550 nm）并通过光纤传输，保证了长时间测量的幅相稳定性；其次，采用圆柱扫描方式获取天线近场分布数据；接着，应用圆柱模式展开（cylindrical mode expansion）算法从近场数据数值重构出远场辐射方向图；最后，将重构结果与在53 m天线间距的室外场地使用矢量网络分析仪（VNA）进行的直接远场测量（direct far-field measurement）结果进行比对，并引入等效噪声水平（ENL）指标进行定量评估，同时也与ITU-R F.699-8参考辐射方向图模型进行了对比分析。
研究结果
Photonics-Based Near-Field Measurement System（基于光子学的近场测量系统）
研究人员搭建了一个桌面级的近场测量平台。与传统采用金属波导或电缆连接的探针不同，该系统采用了电光（EO）探针。这种探针尖端由电光晶体（如有机晶体或铌酸锂等）构成，通过光学光纤与后端系统连接，本身不含金属部件。这种全介质特性极大减少了对被测电磁场的扰动（invasiveness），且光学传输避免了金属电缆在太赫兹频段的散射和损耗。待测的300 GHz电磁场作用于EO晶体，通过电光效应对经过晶体的探测光（1550 nm）偏振态进行调制，再经由光纤传回光电检测单元进行解调，从而稳定、精确地获取电场的幅度和相位信息，即便是在长达数小时的测量持续时间内也能保持高性能
。
Cylindrical Near-Field to Far-Field Transformation（圆柱近场到远场的变换）
为了从近场数据获得远场方向图，研究采用了圆柱模式展开法。在圆柱扫描中，探针围绕被测天线（AUT）在一定半径的圆柱面上进行采样测量。通过采集到的复电场（幅度+相位）分布，利用模式展开算法，可以解析出各阶圆柱波模的系数，进而外推计算到远场区域。这种方法特别适合具有宽角度辐射或复杂旁瓣结构的高增益天线测量，因为圆柱面能较好地包络天线的辐射近场区，捕获更多的 evanescent wave（凋落波）能量信息，从而提高远场重构的精度，尤其是旁瓣区域的保真度。
Comparison With Direct Far-Field Measurement（与直接远场测量的比对）
这是验证该方法有效性的核心环节。研究将一个标称增益较高的天线（如喇叭天线或卡塞格伦天线）作为被测天线（AUT），分别在室内利用上述光子学近场系统（后接模式展开重构），和在室外53 m距离的测试场（使用发射源和VNA接收的直接远场系统）进行测试。对比两者得到的E面和H面方向图，结果显示：主瓣形状、波束宽度（-3 dB, -10 dB）、第一旁瓣电平（SLL）等关键参数均表现出极高的一致性。这说明基于近场扫描的间接表征完全可以媲美甚至在某些受环境影响的场景下优于室外直接远场测试。
Quantitative Evaluation Using Equivalent Noise Level (ENL)（使用等效噪声水平的定量评估）
为了更客观地评价重构方向图的保真度，作者引入了等效噪声水平（ENL）这一指标。ENL反映了测量/重构方向图与参考真值之间的差异，类似于误差能量。计算表明，在关键的-10 dB波束宽度区域内，平均ENL值低于-35 dB，这是一个非常低的噪声水平，意味着重构方向图与直接测量值几乎重合。即便是远离主瓣的低电平旁瓣区域， fine structural features（精细结构特征）也得到了准确再现，证明了该系统具备高动态范围和高灵敏度。
Comparison With ITU-R F.699-8 Reference Radiation Pattern（与ITU-R F.699-8参考辐射方向的比较）
研究者还将实测和重构的方向图与标准组织推荐的ITU-R F.699-8参考辐射方向图模型进行了对比。该模型目前官方覆盖频率上限为86 GHz。对比发现，在300 GHz下，该模型预测的波束宽度比实测值更窄，且预测的旁瓣电平比实测值更低（即低估了旁瓣）。作者分析认为，这可能是由于该经验模型本身在频率极高时的局限性，以及实际天线罩（radome）效应和加工公差带来的影响。这一发现指出了现有国际标准在Sub-THz及THz频段可能存在的适用性问题，对未来的天线建模和标准修订（update above 86 GHz）具有提示意义。
Conclusion（结论）
该研究成功演示了一种基于光子学电光（EO）探针的近场测量技术，能够在300 GHz频段实现高增益天线远场辐射特性的高精度表征。通过与53 m室外直接远场测量的严格比对，证实了圆柱扫描近场结合模式展开重构的可靠性，其ENL低于-35 dB，且能分辨细微旁瓣。相较于需大型场地和许可证的室外远场测试，以及加工严苛的CATR，这种台式光子学近场系统提供了稳定、精确且实用的替代方案。此外，研究揭示了现行ITU-R F.699-8模型在300 GHz下的偏差，为未来高频段天线标准模型的完善提供了实验依据。这项工作为Sub-THz频段（乃至更高太赫兹频段）的天线计量学扫清了一部分技术障碍，对6G通信、高分辨率雷达等领域的高频天线研发具有重要的推动作用。
